用于反演云底高度的峰值面积积分算法

反演云底高度是激光云高仪最重要的应用之一,而找到一种能够有效反演不同类型云的云底高度算法是激光云高仪测云的关键。对于厚度比较大的云层测量可根据信号强度和脉冲宽度不同于噪声和气溶胶信号将其分选出来,而薄云的测量往往由于信号强度弱、脉冲宽度小而被忽略掉,为此提出了一种峰值面积积分算法反演云底高度。该算法通过对云回波信号进行面积积分,叠加放大信号中的云层信息,以峰值和面积积分值作为判断准则,通过选取合适的阈值,将云层与噪声、气溶胶区分开来,进而反演出云底高度。经实验验证表明,该算法能可靠地反演半导体激光云高仪探测范围内不同类型云的云底高度。     

中国地区云量和云光学厚度的分布与变化趋势

利用最新的1983~2009年国际卫星云气候计划（ISCCP） D2月平均资料集,得到了中国地区总云量、低云量、中云量、高云量与云光学厚度的分布与变化趋势,结果表明：中国总云量和中云量呈现南多北少的分布,青藏高原地区高云量较大而低云量很小;总云量和中云量在东部呈增加趋势,西部呈减小趋势,低云量和高云量在大部分地区呈减小趋势。从不同季节来看,春季和秋季北方总云量增加,西部总云量减小;夏季大部分地区总云量增加,冬季大部分地区总云量减少。云的光学厚度呈现南多北少的分布,且在大部分地区呈增加趋势。同时利用中分辨率成像光谱仪（MODIS）资料分析了2001~2013年间中国不同污染地区总云量与云光学厚度的分布及变化趋势的异同,结果表明：中国不同污染地区云量与云光学厚度呈现不同的分布和变化规律。     

利用新型经验函数模拟云底亮温及误差分析

Stephen在2008年提出了一种新型亮温经验函数,为反演云底高提供了一种无需计算大气中实时水汽含量的新方法.利用SBDART模式和Stephen亮温函数比较系统地研究了不同天顶角、水汽、云、气溶胶、能见度等气象要素条件下,云底红外亮温Tb随天顶角的变化情况,并对其进行误差分析.模拟结果显示,水汽、云、天顶角及能见度小于5 km时对Tb影响较大,不同气象要素条件下,Stephen亮温函数模拟的云底亮温与SBDART模拟结果相近,所以,采用Stephen亮温函数模拟云底亮温具有可行性.     

FeS2薄膜厚度对晶体生长及光吸收特性的作用

在单晶Si衬底上用磁控溅射Fe膜并硫化的方法,制备了不同厚度的FeS2薄膜,测定了晶体结构及光学性能.结果表明,薄膜晶体学位向分布随薄膜厚度的增大可发生一定程度的变化.随着薄膜厚度增加到330nm,晶粒尺寸增加而晶格常数减小;但当薄膜厚度大于330nm时,晶粒尺寸下降而晶格常数增大.光吸收系数以及禁带宽度均随薄膜厚度的增加而下降.相变应力、比表面积及晶体缺陷随薄膜厚度的变化是引起薄膜晶体生长行为及光吸收性能变化的主要原因.     

FeS_2薄膜厚度对晶体生长及光吸收特性的作用

在单晶Si衬底上用磁控溅射Fe膜并硫化的方法 ,制备了不同厚度的FeS2 薄膜 ,测定了晶体结构及光学性能 .结果表明 ,薄膜晶体学位向分布随薄膜厚度的增大可发生一定程度的变化 .随着薄膜厚度增加到 330nm ,晶粒尺寸增加而晶格常数减小 ;但当薄膜厚度大于 330nm时 ,晶粒尺寸下降而晶格常数增大 .光吸收系数以及禁带宽度均随薄膜厚度的增加而下降 .相变应力、比表面积及晶体缺陷随薄膜厚度的变化是引起薄膜晶体生长行为及光吸收性能变化的主要原因     

可见光/红外全天空成像仪和云雷达联合反演云高

为解决大部分设备无法单独获取全天空云底高度的问题,基于中国气象局大气探测基地可见光/红外天空成 像仪和毫米波云雷达2019 年6 月的灰度值与云底高度数据,利用辐射传输模式计算地面8～14 μm波段向下红外辐射 随天顶角的变化关系,并根据红外波段测得的天顶云底灰度值与非天顶位置的天顶角余弦灰度值之间的线性关系, 从 而反演得到全天空云底高度。结果表明： (1) 相比于全天无云的情形,在一天的相同时间时,全天有云时的天顶灰度值 较高。(2) 当云底高度为2000 m以上且云层较厚时,云底高与红外模块所测灰度值的相关性明显好于云层较薄的低 云。(3) 2019 年8 月12 日的个例验证结果显示,反演云高与通过云雷达测得的实际云高相关系数为0.956,而与取天顶 附近约30°天顶角得到的云高相关系数为0.9508。     

不同核心尺寸及壳层厚度CdTe/CdS量子点非线性光学及超快动力学特性

CdTe核壳结构半导体量子点具有特殊的非线性光学和超快动力学特性,使其在太阳能电池、光电子器件、生物标记和光纤传感领域有着广泛的应用前景。主要研究了6种不同核心尺寸、不同壳层厚度CdTe/CdS核壳结构半导体量子点的非线性光学和超快动力学特性。在波长400 nm、脉冲宽度130 fs激光脉冲作用下采用Z-Scan技术测量了样品的非线性吸收和非线性折射系数。实验结果表明,CdTe/CdS核壳结构量子点的壳层厚度影响非线性吸收和非线性折射特性,非线性吸收和非线性折射系数均随壳层厚度增加而增大。核心尺寸主要影响非线性吸收特性,非线性吸收系数随核心尺寸的增大而减小。在波长400 nm、脉冲宽度130 fs、频率1 kHz、单脉冲能量400 nJ条件下采用飞秒时间分辨瞬态吸收光谱技术测量了样品的超快动力学特性,得到了瞬态吸收光谱和超快动力学曲线。结果表明漂白信号上升过程时间随壳层厚度的增加而变大。快过程衰减时间随着壳层厚度的增加而变大,同时随着核心尺寸增加而增长;慢过程衰减时间随着壳层厚度的增加而变大。研究揭示了CdTe核壳结构量子点的核心尺寸、壳层厚度对非线性光学和超快动力学的影响规律,为核壳结构量子点的制备和光物理特性研究提供了理论基础。     

主被动结合的云激光雷达测量系统数据融合分析

云高、云量的自动化仪器定量观测对于气象业务非常重要,不同数据的有效融合分析对于气象业务来说意义重大。云测量系统硬件上集成了激光云高仪、全天空成像仪探测模块,使得云高、云量的观测数据在时间、地点上高度统一,结合激光云高仪的剖面数据和全天空成像仪的云二维分布数据做了初步融合分析,进行精确的云高判别、云量反演与云种分类研究。通过数据融合,利用全天空图像可以消除了云高仪在雾霾天气下对云底的误判,同时利用云高数据可以估计全天空云的空间分布而对云进行了更精确的分类。实际上,将云高、云量数据融合分析是气象业务观测的发展方向。     

准球面模式下三种激光波长冰云大气反射率特性

冰云由冰晶粒子组成,是大气的重要组成部分,研究冰云条件下大气辐射传输特性有助于理解冰云对大气探测、地空链路激光通信等方面的作用。采用最新的C语言版本离散纵标法(CDISORT),比较了太阳天顶角不同时平面平行模式和准球面模式下冰云大气激光传输的反射率差异;数值计算准球面模式下三种激光波长(065μm,106μm,155μm)入射时冰云大气反射率随冰水含量、有效半径、光学厚度、云底高度、相对方位角等因素的变化情况。结果表明:当太阳天顶角小于70°时,两种模式下冰云大气激光传输的反射率相对误差很小;当太阳天顶角大于70°时,两种模式下冰云大气激光传输的反射率相对误差明显增大。冰云大气激光传输的反射率随有效半径的增大而减小,随光学厚度或冰水含量的增大而增大。三种不同的激光波长入射时,冰云大气的平均反照率差异较大,但均值大于08。本文结果为星地激光通信、卫星遥感等工程应用提供理论支撑。     

一维掺杂光子晶体缺陷模的全貌特征

通过一维掺杂光子晶体缺陷模的三个不同角度的立体图以及它们对应的俯视切面图,全面地研究了缺陷模随杂质光学厚度、杂质折射率以及光子晶体折射率的变化关系,得出了一维掺杂光子晶体缺陷模的全貌特征,并得到以下重要结论:缺陷模透射峰随杂质光学厚度变化呈周期性的出现,在同一周期上缺陷模的波长随杂质光学厚度呈线性变化;缺陷模透射峰的半高宽度随杂质折射率的增加而减小,但陷模透射峰的高度不受杂质折射率变化的影响;光子晶体的折射率对缺陷模透射峰的峰高和半高宽度都有显著的影响.     

Differences Between Collection 4 and 5 MODIS Ice Cloud Optical/Microphysical Products and Their Impact on Radiative Forcing Simulations

This paper reports on the comparison of two latest versions (collections 4 and 5) of ice cloud products derived from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) measurements. The differences between the bulk optical properties of ice clouds used in collections 4 and 5 and the relevant impact on simulating the correlation of the bidirectional reflection functions at two MODIS bands centered at 0.65 (or 0.86) and 2.13 mum are investigated. The level-3 MODIS ice cloud properties (specifically, ice cloud fraction, optical thickness, and effective particle size in this paper) from the collection 4 and 5 datasets are compared for a tropical belt of 30deg S-30deg N. Furthermore, the impact of the differences between the MODIS collection 4 and 5 ice cloud products on the simulation of the radiative forcing of these clouds is investigated. Over the tropics, the averaged ice cloud fraction from collection 5 is 1.1% more than the collection 4 counterpart, the averaged optical thickness from collection 5 is 1.2 larger than the collection 4 counterpart, and the averaged effective particle radius from collection 5 is 1.8 mum smaller than the collection 4 counterpart. Moreover, the magnitude of the differences between collection 5 and 4 ice cloud properties also depends on the surface characteristics, i.e., over land or over ocean. The differences of these two datasets (collections 4 and 5) of cloud properties can have a significant impact on the simulation of the radiative forcing of ice clouds. In terms of total (longwave plus shortwave) cloud radiative forcing, the differences between the collection 5 and 4 results are distributed primarily between -60 and 20 W ldr m^-2 but peak at 0 W ldr m^-2.     

气溶胶辐射强迫效率研究

气溶胶光学特性对气溶胶直接辐射强迫有重要的影响。采集了北京、香河、兴隆、敦煌四个不同地区的气溶胶光学特性地基观测数据,利用SBDART辐射传输模式模拟计算获取了四个地区的气溶胶直接辐射强迫,通过对比分析这四个地区的气溶胶辐射强迫得到了气溶胶辐射强迫效率同气溶胶光学特性的相关性。该研究结果对分析气候模式和评估环境能源结构具有重要的参考意义。     

基于多角度偏振信息反演海洋上空卷云云顶高度

采用偏振辐射信息反演云顶高度时,为了减小由云层及地表偏振辐射特性变化带来的反演结果不确定度,使用490 nm和865 nm通道多角度偏振信息反演卷云云顶高度.理论分析大气顶偏振特征,给出490 nm与865 nm通道偏振特性差异,说明使用此两通道偏振反射率差反演云顶高度的可行性.假设卷云为一般种类混合模型(General Habit Mixture,GHM),使用倍加累加矢量辐射传输模型计算和分析大气顶490 nm和865 nm通道偏振反射率差对卷云有效粒子半径、光学厚度和云顶压强的敏感性.分析表明,当卷云光学厚度大于3时,偏振反射率差对有效粒子半径和光学厚度的变化不敏感,对云顶压强变化敏感.根据敏感性分析结果选择适当的参数构建偏振反射率差查找表,使用查找表方法反演POLDER3数据的卷云云顶高度,并与POLDER3产品和MODIS产品进行比较.结果表明,与POLDER3的官方算法相比,使用偏振反射率差查找表方法有更宽的散射角适用范围,反演结果与MODIS产品有更好的一致性.     

白光干涉仪传递函数的成因分析及其非线性研究

为提高光学表面的功率谱密度检测精度,研究了白光干涉仪仪器传递函数（ITF）的产生机理和标定方法。将白光干涉仪作为非相干成像系统,对正弦表面干涉光强进行Bessel函数展开,通过干涉光强的频谱强度变化研究白光干涉仪对正弦表面高度的作用机理,利用数值仿真计算了白光干涉仪对正弦表面的衰减程度。采用30、80、120 nm高度的台阶标准板对商品白光干涉仪的传递函数进行标定,并提出了一种可靠的ITF计算方法。理论分析、数值仿真和实验结果表明:ITF随表面高度的增加而增大,此时白光干涉仪对表面高度的响应表现出明显的非线性;表面高度小于/10得到的ITF曲线与白光干涉仪光学系统调制传递函数非常接近,白光干涉仪对表面高度的响应接近线性。文中对于白光干涉仪频域传递特性研究和光学表面功率谱密度检测具有重要意义。     

Atmospheric multiple scattering effects on GLAS altimetry. II. Analysis of expected errors in Antarctic altitude measurements

For pt.I see ibid., vol.39, no.1, p.92-101 (2001). The altimetry bias in the Geoscience Laser Altimeter System (GLAS) or other laser altimeters resulting from atmospheric multiple scattering is studied in relationship to current knowledge of cloud properties over the Antarctic Plateau. Estimates of seasonal and interannual changes in the bias are presented. Results show the bias in altitude from multiple scattering in clouds would be a significant error source without correction. The selective use of low-optical-depth clouds or cloud-free observations, as well as improved analysis of the return pulse such as by the Gaussian method used here, is necessary to minimize the surface altitude errors. The magnitude of the bias is affected by variations in cloud height, cloud effective particle size, and optical depth. Interannual variations in these properties as well as in cloud cover fraction could lead to significant year-to-year variations in the altitude bias. Although cloud-free observations reduce biases in surface elevation measurements from space, over Antarctica these may often include near-surface blowing snow, also a source of scattering-induced delay. With careful selection and analysis of data, laser altimetry specifications can be met.     

基于星载激光雷达的AOD与海面风速关系研究

海面上空气溶胶的产生和传输在一定程度上和风有关,研究气溶胶和风速间的关系,对增加大气模式的预测精度有重要意义。文中使用CALIPSO卫星CALIOP激光雷达L2（V3.01）气溶胶层与云层数据,与准同步AQUA卫星的AMSR-E海面风速数据,采用2007年和2008年的1月、4月、7月、10月共8个月的观测数据,研究波长为532 nm的气溶胶光学厚度（AOD）与海面风速间的关系及其随季节、年份的变化。结果显示,无云条件下,全球海洋上空AOD与风速存在关系：当风速在0-12 m/s时,AOD随风速增大而增加,当风速在4-12 m/s时,AOD与风速近似线性关系,当风速>14 m/s时,AOD趋于平稳。     

A procedure for the detection and removal of cloud shadow fromAVHRR data over land

Although the accurate detection of cloud shadow in AVHRR scenes is important for many atmospheric and terrestrial applications, relatively little work in this area has appeared in the literature. This paper presents a new multispectral algorithm for cloud shadow detection and removal in daytime AVHRR scenes over land. It uses a combination of geometric and optical constraints, derived from the pixel-by-pixel cross-track geometry of the scene and image analysis methods to detect cloud shadow. The procedure works well in tropical and midlatitude regions under varying atmospheric conditions (wet-dry) and with different types of terrain. Results also show that underdetected cloud shadow ran produce errors of 30-40% in observed reflectances for affected pixels. Moreover, radiative transfer calculations show that the effects of cloud shadow are comparable to or exceed those of aerosol contamination for affected pixels. The procedure is computationally efficient and hence could be used to produce improved weather forecast, land cover, and land analysis products. The method is not intended for use under conditions of poor solar illumination and/or poor viewing geometry